Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간

Manifold series, part 14: equivalence relations and classes, the quotient topology (final topology), quotient maps and saturated sets, and building a circle from a lineManifold 시리즈 14편: 동치 관계와 동치류, 몫공간의 위상(최종 위상), 몫사상과 포화 집합, 직선에서 원 만들기

Manifold series매니폴드 시리즈Part 14 of 1818편 중 14번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 14강 Quotient Spaces에 해당합니다. 지난 편까지 파이버 번들과 탄젠트 번들을 살폈고, 이번에는 위상 공간을 새로 만들어 내는 방법인 몫공간quotient space을 정리합니다.

왜 몫공간을 배울까요?

앞으로 만들 매니폴드의 상당수가 몫공간으로 정의됩니다. 원기둥, 뫼비우스 띠, 사영 평면, 구가 그렇습니다. 일반 상대성 이론에서 시공간의 조각을 선을 따라 이어 붙이는 그림을 본 적이 있다면, 그 이어 붙이기의 정확한 정의가 몫공간입니다. 몫공간을 알아야 이어 붙이기를 제대로 이해할 수 있고, 덤으로 앞선 강의의 위상 개념을 다시 쓰게 됩니다.

동치 관계

예로 보통 위상을 가진 실수 직선 R\R에서 시작합니다. 두 점 x,yx, y에 대해 “y=x+2πky = x + 2\pi k를 만족하는 정수 kk가 있다”일 때 x∼yx \sim y라고 쓰겠습니다. 점 xx 하나를 잡으면 x±2πx \pm 2\pi, x±4πx \pm 4\pi, … 가 양쪽으로 끝없이 이어집니다.

이런 관계가 동치 관계equivalence relation가 되려면 세 성질이 필요합니다.

  1. 반사성reflexivity: x∼xx \sim x. k=0k = 0으로 확인됩니다.
  2. 대칭성symmetry: x∼yx \sim y이면 y∼xy \sim x. kk를 −k-k로 바꾸면 됩니다.
  3. 추이성transitivity: x∼yx \sim y이고 y∼zy \sim z이면 x∼zx \sim z. 정수 둘의 합도 정수입니다.

동치와 같음은 다릅니다. xx와 x+2πx + 2\pi는 서로 다른 점인데, 우리가 “같은 것으로 취급하자”고 약속했을 뿐입니다.

동치류와 분할

xx와 동치인 점을 모두 모은 집합을 동치류equivalence class라고 부르고 [x]={ x+2πk∣k∈Z }[x] = \{\, x + 2\pi k \mid k \in \Z \,\}로 씁니다. 셀 수 있는 무한 집합이고, 직선 전체를 담지는 않고 일정한 간격으로 놓인 점들만 담습니다.

관계가 동치 관계이면 모든 점이 정확히 하나의 동치류에 속합니다. 그래서 동치류들은 직선을 서로소인 조각으로 쪼갭니다. 이것을 분할partition이라고 부릅니다. 이 예에서는 구간 [0,2π)[0, 2\pi)의 점마다 동치류가 하나씩 있고, 2π2\pi는 00과 같은 동치류라서 구간에서 뺍니다. 관계를 쓰는 표기는 책마다 달라서 x∼yx \sim y, x∼Ryx \sim_R y 같은 꼴을 두루 봅니다.

몫공간과 정준 사영

동치류를 모두 모은 집합을 몫공간이라고 하고 R/ ⁣∼\R/\!\sim로 씁니다. 원소 하나가 동치류, 곧 점들의 묶음이므로 집합들의 집합입니다. 각 점을 자기 동치류로 보내는 사상을 p:R→R/ ⁣∼p : \R \to \R/\!\sim, p(x)=[x]p(x) = [x]라고 하고 정준 사영canonical projection이라고 부릅니다. 동치 관계만 정해지면 이 사상은 하나로 정해지므로 “정준”(자연스러운)이라는 이름이 붙습니다.

여기까지는 집합일 뿐 위상이 없습니다. 구간 [0,2π)[0, 2\pi)는 동치류와 점의 수가 맞지만, 그렇다고 이 구간이 몫공간이라거나 위상동형이라고 말할 수는 없습니다. 위상을 정하는 일이 남았습니다. 먼저 점 하나를 움직여 보겠습니다. 점 xx를 끌면 같은 동치류의 점이 모두 켜지고, 아래의 몫공간에서는 한 점으로 모입니다.

Q. 같은 동치류의 점은 정말 같은 점인가요?
A. 직선 위에서는 서로 다른 점입니다. 몫공간에서 그 점들이 하나의 점(원소)이 될 뿐입니다. 그래서 “동치이다”와 “같다”를 구분합니다.

몫공간의 위상: 최종 위상

위상을 새로 만들 때 쓰는 원칙은 하나입니다. 이미 알고 있는 위상과 사상으로 출발해서, 사상이 연속이 되게 합니다. 파이버 번들에서는 사영 π:E→B\pi : E \to B가 있고 BB의 위상은 알지만 EE의 위상은 몰랐습니다. 그래서 π\pi가 연속이 되는 가장 거친 위상을 EE에 주었고, 이것을 초기 위상initial topology이라고 불렀습니다.

이번에는 반대입니다. p:R→R/ ⁣∼p : \R \to \R/\!\sim에서 정의역 R\R의 위상은 알고 치역 쪽 위상이 없습니다. 그래서 pp가 연속이 되는 가장 세밀한 위상을 치역에 줍니다. 이것을 최종 위상final topology, 또는 몫위상quotient topology이라고 부릅니다.

TR/∼={ U⊂R/ ⁣∼  ∣  p−1(U)는 R에서 열려 있다 }\mathcal{T}_{\R/\sim} = \{\, U \subset \R/\!\sim \;\mid\; p^{-1}(U) \text{는 } \R \text{에서 열려 있다} \,\}

역상은 합집합과 교집합을 그대로 보존하므로, 이 모음은 위상의 네 규칙을 지킵니다.

왜 “가장 세밀한”일까요? 연속이 되려면 치역의 열린집합마다 역상이 정의역에서 열려야 합니다. 치역의 열린집합이 많을수록 이 조건은 까다로워집니다. 그러니 조건을 지키는 선에서 열린집합을 가장 많이 받아들인 위상이 위의 모음입니다. 가장 거친 자명한 위상도 pp를 연속으로 만들지만 아무것도 알려 주지 않습니다. 반대로 너무 세밀한 이산 위상은 안 됩니다. 점 [x][x] 하나를 열린집합으로 삼으면 역상 x+2πZx + 2\pi \Z는 R\R에서 열린집합이 아니기 때문입니다.

Q. 초기 위상은 가장 거친 위상이고 최종 위상은 가장 세밀한 위상입니다. 왜 서로 반대로 되나요?
A. 둘 다 “사상이 연속이 되는 위상 중 가장 쓸모 있는 것”을 고른 결과입니다. 초기 위상은 정의역에 열린집합을 더 넣을수록 조건이 쉬워지므로 가장 적게 넣고, 최종 위상은 치역에 열린집합을 더 넣을수록 조건이 어려워지므로 가능한 한 많이 넣습니다.

몫사상과 포화 집합

사상 f:X→Yf : X \to Y가 열린 사상open map이면 열린집합의 상이 열린집합이고, 닫힌 사상closed map이면 닫힌집합의 상이 닫힌집합입니다. 연속은 이것과 다른 개념입니다. 연속은 역상에 대한 조건이어서, 연속이면서 열린 사상이 아닐 수 있고 그 반대도 가능합니다.

몫사상quotient map은 다음 세 조건을 만족하는 사상 p:X→Yp : X \to Y입니다.

  1. 전사입니다.
  2. 연속입니다.
  3. U⊂YU \subset Y의 역상 p−1(U)p^{-1}(U)가 열려 있으면 UU도 열려 있습니다.

세 번째 조건은 연속의 반대 방향이어서, 둘을 합치면 UU가 열린집합인 것과 p−1(U)p^{-1}(U)가 열린집합인 것이 같은 말이 됩니다. 정준 사영은 몫위상을 줄 때 세 조건을 모두 만족합니다.

포화 집합saturated set은 이 맥락에서 쓰는 개념입니다. XX의 부분집합 AA가 동치류들의 합집합과 정확히 같을 때, 곧 동치류를 쪼개지 않고 통째로 담고 있을 때 포화 집합이라고 부릅니다. 쓸모는 이렇습니다. 몫사상 pp에 대해 열린 포화 집합의 상은 열려 있습니다. 포화 집합 AA는 p−1(p(A))=Ap^{-1}(p(A)) = A를 만족하고, AA가 열려 있으니 몫위상의 정의에 따라 p(A)p(A)가 열려 있기 때문입니다. (이 이유는 이해를 돕기 위해 보탠 설명이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 반대로 포화 집합이 못 되는 열린집합의 상은 열려 있지 않을 수 있습니다. 그래서 몫사상이 열린 사상이라고는 할 수 없습니다.

Q. 몫사상인데 열린 사상은 못 되는 예가 있나요?
A. 직선에서 구간 [0,1][0, 1] 전체를 한 점으로 모으는 몫사상이 그렇습니다. 열린집합 (−1,12)(-1, \tfrac12)의 상은 열려 있지 않습니다. 그 상의 역상이 (−1,1](-1, 1]이어서 R\R에서 열린집합이 아니기 때문입니다. (이 예는 이해를 돕기 위해 보탠 설명이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

몫공간은 원본과 닮은꼴이 아닙니다

위상동형 사상은 위상적 성질을 모두 지킵니다. 하우스도르프이면 하우스도르프로, 연결이면 연결로, 차원도 그대로 둡니다. 몫사상은 그렇지 않습니다. 연결성은 연속 사상이 지켜 주므로 몫공간에서도 남지만, 단순 연결 같은 성질은 보장되지 않습니다. 직선은 단순 연결인데, 곧 보겠듯이 그 몫공간인 원은 그렇지 않습니다. 분리 성질도, 차원도 원본과 달라질 수 있습니다. 몫공간은 원본과 아주 다른 공간이 될 수 있다는 점을 기억해 두어야 합니다.

직선이 원이 되는 과정

계산을 단순하게 하려고 간격을 2π2\pi에서 11로 바꿉니다. 직선 R\R에서 x∼yx \sim y를 "y−x∈Zy - x \in \Z"로 정하면 몫공간 R/ ⁣∼\R/\!\sim이 생깁니다. 이것이 원 S1S^1과 위상동형이라는 것을 보이겠습니다. 원에는 평면의 부분 공간 위상을 주고, 사상 Q:R→S1Q : \R \to S^1을 Q(t)=(cos⁡2πt,sin⁡2πt)Q(t) = (\cos 2\pi t, \sin 2\pi t)로 정합니다.

  1. Q(s)=Q(t)Q(s) = Q(t)는 s−t∈Zs - t \in \Z와 같은 말입니다. 그래서 QQ는 동치류 하나를 원의 점 하나로 보내는 일대일 대응 Q~:R/ ⁣∼  →S1\tilde{Q} : \R/\!\sim \;\to S^1을 줍니다. 만드는 법은 Q~([t])=Q(t)\tilde{Q}([t]) = Q(t)입니다.
  2. QQ는 연속인 전사 사상입니다. 열린 구간은 열린 호로 가고, 원의 열린집합 OO의 역상이 R\R에서 열려 있으면 OO도 열려 있다는 것도 확인됩니다. 이 확인에서 포화 집합이 쓰입니다. 곧 QQ도 몫사상입니다.
  3. 정준 사영 pp와 QQ는 점들을 똑같이 묶는 두 몫사상이라서, Q~\tilde{Q}도 그 역사상도 연속입니다. 따라서 Q~\tilde{Q}는 위상동형 사상입니다.

증명이 길지만 말하려는 것은 분명합니다. “직선을 정수 간격으로 접으면 원이다”라고 흔히 말하는 것은 사실 “몫공간이 원과 위상동형이다”라는 뜻입니다. 몫공간 자체는 집합들의 집합이고, 원은 평면의 부분집합이라 서로 다른 대상입니다. 많은 책이 이 단계를 건너뜁니다.

구간 [0,1)[0, 1)을 몫공간으로 보면 안 되는 까닭도 여기서 나옵니다. 점의 수는 맞지만 위상이 다릅니다. 원에서 00 근처의 열린집합은 11에 가까운 점도 담는데, [0,1)[0, 1)에서는 00 근처에 00보다 작은 점이 없습니다.

동치 관계를 바꾸면

같은 직선에서 관계만 바꿔 봅시다. “xx와 yy가 모두 정수일 때만 x∼yx \sim y이고, 정수 이외의 점은 자기 자신하고만 동치”라고 정합니다. 반사성, 대칭성, 추이성이 모두 성립하니 동치 관계입니다. 위의 장난감에서 “정수끼리” 단추를 눌러 보세요.

이번 몫공간에서는 모든 정수가 한 점으로 모이고, 구간 [n,n+1][n, n+1]마다 양 끝이 그 점에 붙어서 고리가 하나씩 생깁니다. 고리가 무한히 많이 한 점에서 만나는 모양입니다. 이 공간은 앞의 원과 전혀 다릅니다. 직선은 제2 가산이고 원도 그렇지만, 이 몫공간은 모인 점에서 제1 가산조차 되지 않는다고 알려져 있습니다. 가산성은 몫사상이 지켜 주는 성질이 아닙니다. 같은 직선에서 출발해도 관계에 따라 완전히 다른 공간이 나옵니다.

다음 강의에서는 이 도구로 정사각형의 두 변을 이어 붙여 원기둥을 만들고, 그 몫공간이 원기둥과 위상동형임을 증명합니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 14 of the playlist, Quotient Spaces. In the previous post we looked at fiber bundles and the tangent bundle. This time we study the quotient space, a way to build new topological spaces.

Why quotient spaces?

Many of the manifolds we will build are defined as quotient spaces: the cylinder, the Möbius strip, the projective plane, and the sphere. If you have seen the pictures in general relativity where pieces of spacetime are glued together along lines, the exact definition of that gluing is a quotient space. We need quotient spaces to understand gluing properly, and along the way we reuse the topological ideas from earlier lectures.

Equivalence relations

We start with the real line R\R with its usual topology. For two points x,yx, y we write x∼yx \sim y when there is an integer kk with y=x+2πky = x + 2\pi k. Pick a point xx and the points x±2πx \pm 2\pi, x±4πx \pm 4\pi, … continue forever in both directions.

For such a relation to be an equivalence relation it needs three properties.

  1. Reflexivity: x∼xx \sim x. Take k=0k = 0.
  2. Symmetry: if x∼yx \sim y then y∼xy \sim x. Replace kk by −k-k.
  3. Transitivity: if x∼yx \sim y and y∼zy \sim z then x∼zx \sim z. The sum of two integers is an integer.

Being equivalent is different from being equal. xx and x+2πx + 2\pi are different points, and we only agreed to treat them as the same thing.

Equivalence classes and partitions

The set of all points equivalent to xx is called the equivalence class, written [x]={ x+2πk∣k∈Z }[x] = \{\, x + 2\pi k \mid k \in \Z \,\}. It is a countably infinite set, and it holds only points spaced at regular intervals, not the whole line.

When the relation is an equivalence relation, every point lies in exactly one equivalence class. So the classes cut the line into disjoint pieces, which we call a partition. In this example every point of the interval [0,2π)[0, 2\pi) has one class, and 2π2\pi is left out because it lies in the same class as 00. Notation for the relation varies between books, and you see forms such as x∼yx \sim y and x∼Ryx \sim_R y.

The quotient space and the canonical projection

The set of all equivalence classes is called the quotient space and written R/ ⁣∼\R/\!\sim. Its elements are classes, not points, so it is a set of sets. The map that sends each point to its own class is p:R→R/ ⁣∼p : \R \to \R/\!\sim, p(x)=[x]p(x) = [x], called the canonical projection. Once the equivalence relation is given, this map is determined uniquely, which is why it is called canonical (natural).

So far this is only a set with no topology. The interval [0,2π)[0, 2\pi) has the right number of points, but we cannot say that this interval is the quotient space or that it is homeomorphic to it. The topology is still to be chosen. First, move a point. Drag the point xx and every point of its class lights up, and in the quotient space below they gather into one point.

Q. Are the points of one equivalence class really the same point?
A. On the line they are different points. It is only in the quotient space that they become a single point (an element). That is why we distinguish “equivalent” from “equal”.

The topology of the quotient space: the final topology

There is one principle for making a new topology: start from a topology and a map you already know, and make the map continuous. For fiber bundles we had a projection π:E→B\pi : E \to B, knew the topology of BB, and did not know that of EE. So we gave EE the coarsest topology that makes π\pi continuous, and called it the initial topology.

This time it is the other way around. For p:R→R/ ⁣∼p : \R \to \R/\!\sim we know the topology of the domain R\R and the target has none. So we give the target the finest topology that makes pp continuous. It is called the final topology, or the quotient topology.

TR/∼={ U⊂R/ ⁣∼  ∣  p−1(U) is open in R }\mathcal{T}_{\R/\sim} = \{\, U \subset \R/\!\sim \;\mid\; p^{-1}(U) \text{ is open in } \R \,\}

Preimages preserve unions and intersections, so this collection obeys the four rules of a topology.

Why “finest”? For continuity the preimage of every open set of the target must be open in the domain. The more open sets the target has, the harder this condition is. So the topology that accepts as many open sets as the condition allows is the collection above. The coarsest, trivial topology also makes pp continuous, but it tells us nothing. A topology that is too fine, such as the discrete topology, fails. If a single point [x][x] were open, its preimage x+2πZx + 2\pi \Z would have to be open in R\R, and it is not.

Q. The initial topology is the coarsest and the final topology is the finest. Why do they go in opposite directions?
A. Both pick the most useful topology among those that make the map continuous. For the initial topology, adding open sets to the domain makes the condition easier, so we add as few as possible. For the final topology, adding open sets to the target makes the condition harder, so we add as many as we can.

Quotient maps and saturated sets

A map f:X→Yf : X \to Y is an open map if the image of every open set is open, and a closed map if the image of every closed set is closed. Continuity is a different notion. It is a condition on preimages, so a map can be continuous without being open, and the other way round.

A quotient map is a map p:X→Yp : X \to Y with three properties.

  1. It is surjective.
  2. It is continuous.
  3. If the preimage p−1(U)p^{-1}(U) of U⊂YU \subset Y is open, then UU is open.

The third condition is the reverse direction of continuity, and together they say that UU is open exactly when p−1(U)p^{-1}(U) is open. The canonical projection with the quotient topology satisfies all three.

A saturated set is a notion used in this setting. A subset AA of XX is saturated when it is exactly a union of equivalence classes, that is, when it contains each class whole without cutting any. Its use is this: for a quotient map pp, the image of an open saturated set is open. A saturated set AA satisfies p−1(p(A))=Ap^{-1}(p(A)) = A, and since AA is open, p(A)p(A) is open by the definition of the quotient topology. (This reasoning is added for understanding and was not covered in the lecture.) For an open set that is not saturated, the image may fail to be open. So a quotient map need not be an open map.

Q. Is there an example of a quotient map that is not open?
A. Collapsing the whole interval [0,1][0, 1] of the line to one point is one. The image of the open set (−1,12)(-1, \tfrac12) is not open, because its preimage is (−1,1](-1, 1], which is not open in R\R. (This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)

A quotient space is not a look-alike of the original

A homeomorphism preserves every topological property. Hausdorff stays Hausdorff, connected stays connected, and the dimension stays the same. A quotient map does not. Connectedness survives because a continuous map preserves it, but properties such as simple connectedness are not guaranteed. The line is simply connected, and as we will see, its quotient, the circle, is not. Separation properties and the dimension can also differ from the original. Keep in mind that a quotient space can be a very different space from the original.

How a line becomes a circle

To simplify the computation we change the spacing from 2π2\pi to 11. On the line R\R declare x∼yx \sim y when y−x∈Zy - x \in \Z, which gives the quotient space R/ ⁣∼\R/\!\sim. We show that it is homeomorphic to the circle S1S^1. Give the circle the subspace topology from the plane, and define Q:R→S1Q : \R \to S^1 by Q(t)=(cos⁡2πt,sin⁡2πt)Q(t) = (\cos 2\pi t, \sin 2\pi t).

  1. Q(s)=Q(t)Q(s) = Q(t) means exactly s−t∈Zs - t \in \Z. So QQ gives a one-to-one correspondence Q~:R/ ⁣∼  →S1\tilde{Q} : \R/\!\sim \;\to S^1 sending one class to one point of the circle, defined by Q~([t])=Q(t)\tilde{Q}([t]) = Q(t).
  2. QQ is a continuous surjection. An open interval goes to an open arc, and one checks that if the preimage of an open set OO of the circle is open in R\R, then OO is open. Saturated sets are used in this check. So QQ is also a quotient map.
  3. The canonical projection pp and QQ are two quotient maps that group the points in the same way, so both Q~\tilde{Q} and its inverse are continuous. Hence Q~\tilde{Q} is a homeomorphism.

The proof is long, but the point is clear. When people say “fold the line at integer spacing and you get a circle”, what they really mean is that the quotient space is homeomorphic to the circle. The quotient space itself is a set of sets, while the circle is a subset of the plane, so they are different objects. Many books skip this step.

It also explains why the interval [0,1)[0, 1) must not be taken as the quotient space. The number of points matches, but the topology differs. On the circle an open set near 00 also contains points near 11, while in [0,1)[0, 1) there are no points below 00 near 00.

Changing the equivalence relation

Keep the same line and change only the relation. Declare x∼yx \sim y only when both are integers, and let every non-integer be equivalent only to itself. Reflexivity, symmetry, and transitivity all hold, so it is an equivalence relation. Press the “Integers together” button in the toy above.

In this quotient space all the integers gather into one point, and each interval [n,n+1][n, n+1] has both ends attached to that point and becomes a loop. Infinitely many loops meet at one point. This space is nothing like the earlier circle. The line is second countable and so is the circle, but this quotient space is known not even to be first countable at the gathered point. Countability is not a property that quotient maps preserve. Starting from the same line, different relations give completely different spaces.

In the next lecture we use this tool to glue two sides of a square into a cylinder and prove that the quotient space is homeomorphic to the cylinder.

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